Analýza a zmiernenie hluku napájacieho zdroja v procese návrhu vysokofrekvenčných dosiek plošných spojov

In vysokofrekvenčné PCBs, hluk napájacieho zdroja vystupuje ako významná forma rušenia. Tento článok vykonáva komplexnú analýzu charakteristík a pôvodu hluku napájacieho zdroja vo vysokofrekvenčných doskách plošných spojov a ponúka praktické a efektívne riešenia založené na inžinierskych aplikáciách.

A.Analýza hluku napájacieho zdroja

Hluk napájacieho zdroja sa týka hluku generovaného alebo rušeného samotným napájacím zdrojom. Toto rušenie je zrejmé z nasledujúcich aspektov:

1. Distribuovaný hluk vyplývajúci zinherentná impedancianapájacieho zdroja. Vo vysokofrekvenčných obvodoch šum napájacieho zdroja výrazne ovplyvňuje vysokofrekvenčné signály. Prvotnou požiadavkou je preto nízka hlučnosťnapájací zdroj. Rovnako dôležité sú čisté uzemnenie a napájanie.

V ideálnom prípade by to bolo napájaniebez impedancie, výsledkom čoho nie je žiadny hluk. V praxi má však napájací zdroj určitú impedanciu, ktorá je rozložená v celom napájacom zdroji, čo vedie k superpozícii šumu. Preto by sa malo vynaložiť úsilie na minimalizáciu impedancie napájacieho zdroja. Je lepšie mať vyhradenú energetické lietadloazemná rovina. Pri konštrukcii vysokofrekvenčných obvodov je vo všeobecnosti efektívnejšie navrhovať napájací zdroj vo vrstvách a nie vo formáte zbernice, čím sa zabezpečí, že slučka bude konzistentne sledovať cestu s najmenšou impedanciou. Napájacia doska navyše poskytuje asignálna slučkapre všetky signály generované a prijímané na PCB, čím sa minimalizuje signálová slučka a znižuje sa šum.

2. Bežné rušenie poľa: Tento typ rušenia sa týka šumu medzi zdrojom napájania a zemou. Vzniká v dôsledku rušenia spôsobeného slučkou vytvorenou narušeným obvodom a napätím spoločného režimu, ktoré je výsledkom spoločného referenčného povrchu. Veľkosť závisí od relatívnych elektrických a magnetických polí a jej intenzita je relatívne nízka.

V tomto scenári vedie pokles prúdu (Ic) k napätiu v spoločnom režime v sériiprúdová slučka, ktoré majú dopad na prijímaciu časť. Akmagnetické poleprevláda, spoločné napätie generované v sériovej uzemňovacej slučke je dané vzorcom:

ΔB vo vzorci (1) predstavuje zmenu intenzity magnetickej indukcie meranú vo Wb/m²; S označuje plochu v m².

Preelektromagnetického poľa, keď elektrické pole hodnota je známa, indukované napätie je dané rovnicou (2), ktorá je všeobecne použiteľná, keď L=150/F alebo menej, pričom F predstavujefrekvencia elektromagnetických vĺnv MHz. Ak je tento limit prekročený, výpočet maximálneho indukovaného napätia možno zjednodušiť takto:

3. Interferencia poľa v diferenciálnom režime: Ide o interferenciu medzi napájaním a napájanímvstupné a výstupné elektrické vedenies. Pri skutočnom návrhu PCB autor zistil, že jeho príspevok k šumu napájacieho zdroja je minimálny, a preto ho tu možno vynechať.
4. Interline Interferencia: Tento typ rušenia sa týka rušenia medzi elektrickými vedeniami. Ak existuje vzájomná kapacita (C) a vzájomná indukčnosť (M1-2) medzi dvoma rôznymi paralelnými obvodmi, rušenie sa prejaví v rušenom obvode, ak je v obvode zdroja rušenia napätie (VC) a prúd (IC):
   1. Napätie viazané cez kapacitnú impedanciu je dané rovnicou (4), kde RV predstavuje paralelnú hodnotuodpor na blízkom konciaodpor na vzdialenom koncizrušený obvod.
   2. Sériový odpor prostredníctvom indukčnej väzby: Ak je v zdroji rušenia šum v bežnom režime, medziriadkové rušenie sa vo všeobecnosti objavuje v bežnom režime aj v diferenciálnom režime.
5. Spojka elektrického vedenia: K tomuto javu dochádza, keď elektrické vedenie po vystavení prenáša rušenie na iné zariadeniaelektromagnetické rušeniezo striedavého alebo jednosmerného prúdu zdroj energieTo predstavuje nepriamu formu rušenia napájacieho zdroja vysokofrekvenčný obvods. Je dôležité poznamenať, že šum napájacieho zdroja nemusí byť nutne generovaný sám, ale môže byť tiež výsledkom externej indukcie rušenia, čo vedie k superpozícii (vyžarovanému alebo vedenému) šumu, ktorý sám vytvára, a tým k interferencii s inými obvodmi alebo zariadeniami.

• Protiopatrenia na odstránenie rušenia napájacieho zdroja

Vzhľadom na rôzne prejavy a príčiny rušenia napájacieho zdroja analyzované vyššie, podmienky vedúce k šumu napájacieho zdroja môžu byť špecificky narušené, čím sa rušenie účinne potláča. Odporúčajú sa nasledujúce riešenia:

• Pozornosť naDoska cez dierus: Nevyhnutné sú priechodné otvoryotvor na leptanies nanapájacia vrstvavyhovieť ich prechodu. Ak je otvor napájacej vrstvy príliš veľký, môže to ovplyvniť signálovú slučku, čím sa signál obíde a zväčší sa oblasť slučky a šum. Ak sú určité signálne vedenia sústredené v blízkosti otvoru a zdieľajú túto slučku, spoločná impedancia môže viesť k presluchom.
• Dostatočný uzemňovací vodič pre káble: Každý signál vyžaduje vlastnú vyhradenú signálnu slučku, pričom oblasť signálu a slučky je čo najmenšia, čím sa zabezpečí paralelné zarovnanie.
• Umiestnenie filtra hluku napájacieho zdroja: Tento filter účinne potláča vnútorný hluk napájacieho zdroja, čím zlepšuje systémproti rušeniua bezpečnosť. Slúži ako obojsmernýRF filter, odfiltrovanie rušenia rušenia spôsobeného elektrickým vedením (zabránenie rušeniu inými zariadeniami) a šumu generovaného samotným (aby sa predišlo rušeniu s inými zariadeniami), ako aj rušenie v bežnom režime s krížovým režimom.
• Izolácia napájaniaTransformátor: Toto izoluje uzemňovaciu slučku so spoločným režimomnapájacia slučka alebo signálny kábel, efektívne oddeľuje prúd slučky spoločného režimu generovaný pri vysokých frekvenciách.
• Regulácia napájania: Obnovenie čistejšieho zdroja napájania môže výrazne znížiť hluk napájacieho zdroja.
• Zapojenie: Vstupné a výstupné vedenia napájacieho zdroja by sa mali držať ďalej od okraja dielektrickej dosky, aby sa zabránilo generovaniu žiarenia a rušeniu iných obvodov alebo zariadení.
• Samostatné analógové a digitálne napájacie zdroje: Vysokofrekvenčné zariadenia sú vo všeobecnosti veľmi citlivé na digitálny šum, preto by mali byť oddelené a spojené spolu na vstupe napájania. Ak signál potrebuje prechádzať analógovou aj digitálnou doménou, je možné cez signál umiestniť slučku, aby sa zmenšila oblasť slučky.
• Vyhnite sa prekrývaniu samostatných napájacích zdrojov medzi rôznymi vrstvami: Pokúste sa ich rozložiť, aby ste zabránili ľahkému prepojeniu šumu napájacieho zdroja prostredníctvom parazitnej kapacity.
• Izolujte citlivé komponenty: Komponenty, ako sú slučky fázového závesu (PLL), sú vysoko citlivé na šum napájacieho zdroja a mali by byť umiestnené čo najďalej od napájacieho zdroja.
• Umiestnenie napájacieho kábla: Umiestnenie elektrického vedenia vedľa signálneho vedenia môže znížiť signálovú slučku a dosiahnuť zníženie šumu.
• Uzemnenie cesty premostenia: Aby sa predišlo akumulovanému šumu spôsobenému rušením napájacieho zdroja na obvodovej doske a rušením externého napájacieho zdroja, môže byť premosťovacia cesta uzemnená na rušivej ceste (okrem žiarenia), čím sa umožní premostenie šumu na zem a zabráni sa rušeniu iné zariadenia a vybavenie.

Na záver:Šum napájacieho zdroja, či už je generovaný priamo alebo nepriamo z napájacieho zdroja, ruší obvod. Pri potláčaní jeho vplyvu na obvod by sa mala dodržiavať všeobecná zásada: minimalizovať vplyv hluku napájacieho zdroja na obvod a zároveň znižovať vplyv vonkajších faktorov alebo obvodu na napájací zdroj, aby sa predišlo degradácii hluku napájacieho zdroja.